西北内陆区水资源安全保障技术集成与应用

冯 起，龙爱华，王宁练，钟德钰，薛联青，李福生，席海洋，温小虎，司建华

（1.中国科学院 西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州730000；2.中国水利水电科学研究院，北京100038；3.西北大学，陕西 西安710075；4.清华大学，北京100084；5.石河子大学，新疆 石河子832003；6.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州450003）

1 水资源安全保障技术国内外现状及趋势分析

西北内陆区地处丝绸之路经济带核心区，是我国生态安全战略格局中的重点区域。然而，该区水资源短缺，生态环境问题严峻，水资源供需矛盾日益突出，制约了其经济和社会的发展［1］。据研究，21世纪中叶西北内陆区缺水将达每年220亿m3［2］，且水资源利用效率和效益低下［3］。

西北内陆区水资源系统独特，为高山冰雪-山地水源涵养林-平原绿洲-河流终闾湖泊构成的内陆水文系统和相伴而生的生态系统［4］，在变化环境下，区域的冰川融水、降水径流、蒸散发等水循环要素必然发生变化，使得西北内陆区水资源系统的变化过程更为复杂、不确定性增大。面向丝绸之路经济带生态安全的国家需求，西北内陆区水资源高效利用及绿洲生态保护是迫切需要解决的问题，如何保障水资源安全是当前的热点。因此，研究变化环境下西北内陆区多尺度水循环过程及水资源安全极为必要。

变化环境下水循环和水安全是国际水问题研究的重大课题，也是地球系统科学前沿［5-6］。世界气象组织、联合国科教文组织、国际水文科学协会、地球系统伙伴计划等组织机构都将变化环境下水循环、水资源安全与适应性作为研究重点。干旱内陆区是气候变化的敏感区、生态脆弱区，是变化环境下水循环和水资源安全研究的热点区域。

中国“九五”至“十二五”期间针对西北内陆区水循环和水安全开展了大量研究工作，如国家“九五”科技攻关项目“西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究”［7］、中国科学院重大项目课题“中国西部气候与环境演化科学评估”和正在执行的国家自然科学基金委员会重大研究计划项目“黑河流域生态水文集成”等，已在水循环机理和水资源转化规律、生态水文过程耦合、气候变化对水循环和水资源的影响等方面取得了重要进展，打下了由简单分散向深入综合层面突破的良好基础。

2 国内外从事相关研究的主要机构

美国地质调查局（USGS）从事水循环过程演化规律、地表水-地下水转化、气候变化对水文水资源的影响分析，在长期监测的基础上研发了一系列全球著名的水文模型，包括PRMS、GSFLOW、HYSEP模型等，研究成果已在全球范围内推广应用［8］。国际水文科学协会（IAHS）主要研究全球陆地水的物理、化学和生物过程，水和气候及其他物理和地理因素的关系，侵蚀泥沙及其和水文循环的关系，水资源的利用和管理中的水文问题，以及人类活动对水文的影响［9］。WMO通过其科技计划开展工作，发起的相关计划包括水文和水资源计划（HWRP）、世界气候计划（WCP）、世界气候研究计划（WCRP）等，推动了全球水文、水循环方面的研究［10］。以色列耐特菲姆公司主要研究节水灌溉及自动化系统的集成，已在全球广泛推广［11］。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）主要研究全球跨尺度天气模拟，涉及大气环流动力学过程、大气边界层动力学过程、云动力学过程、陆-气联合过程的物理机制与数值模拟、不同时空尺度精确的数值气象预报，建立了Gulfstream IV、WP-3D Orions、Rockwell、Cessna Citation II、DeHavilland Twin Otters、Bell 212、MD369 （Hughes 500） 、Aerofab Lake amphibian aircraft等机理模型［12］。丹麦DHI公司长期从事流域或者区域水资源分配、水资源供需平衡模拟，开发了MIKEBASIN水资源分配、供需平衡模型，在水资源规划管理和科学研究中应用较多［13］。

中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室从事二元水循环基础理论、流域水循环及其伴生过程、复杂水资源系统配置与调度、流域水沙调控与江河治理、水循环调控工程安全与减灾研究，开展了“水资源大系统优化规划与优化调度经验汇编”“华北地区宏观经济水资源规划理论与方法”“西北地区水资源合理配置和承载能力研究”“黑河流域水资源调配管理信息系统”“流域水循环演变机理与水资源高效利用”“中国水资源及其开发利用调查评价”等研究项目，研究成果已经应用于我国华北、西北等多个地区或流域，产生了良好的经济、社会和环境效益［14］。清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室主要从事水文学及水资源、水信息学、多相流动力学、流域水量调度、数字流域等研究，已开展了“西南河流源区径流变化和适应性利用”“天河动力学研究”“巴音河-疏勒河流域空中-地表水资源联合利用试验”的项目研究，成果已应用于青海巴音河流域、疏勒河流域（建立试验基地），并开展了初步的试验示范，试验效果良好［15］。新疆的国家节水灌溉工程技术研究中心长期从事干旱区节水灌溉理论与技术、干旱区水资源优化配置与高效利用研究，已开展了“干旱区灌溉农业高效用水模式及产业化示范”“准噶尔盆地南缘水资源合理配置及高效利用技术研究”“南疆典型沙区水资源高效利用关键技术研究”等项目，研究成果如膜下滴灌技术已在甘肃、陕西、内蒙古、黑龙江、辽宁、广西、海南等省（区）推广和应用，推广面积已达5.2万hm2，取得了良好的经济效益和生态效益，同时受到巴基斯坦和塔吉克斯坦等中亚国家的青睐（已推广膜下滴灌面积0.24万hm2），我国从节水技术的输入国变为节水技术的输出国［16-17］。

中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室从事流域水文与水资源、流域生态水文过程、生态恢复和流域管理等研究，已开展了“荒漠绿洲水热过程与生态恢复技术”“中国干旱区关键地表过程及其调控研究”“绿洲农林复合系统水分高效利用研究与示范”“民勤沙漠化防治与生态修复技术集成试验示范研究”“干旱内陆河流域生态恢复的水调控机理、关键技术及应用”“祁连山涵养水源生态系统恢复技术集成及应用”“寒区水文过程及机理研究”“干旱区绿洲化过程及可持续性的调控途径与技术”等项目［18］，相关成果已在黑河流域、石羊河流域、祁连山等地区生态恢复过程的水资源综合调控与管理中得到广泛应用，取得了良好的经济、社会和环境效益。

黄河勘测规划设计研究院有限公司从事水资源安全、水资源综合规划、水资源调控、水资源配置等研究，开展了“干旱、半干旱区域旱情监测与水资源调配技术开发与应用”“多维临界调控模型体系及求解方法研究”“黄河流域旱情监测与水资源调配技术研究与应用”“南水北调西线工程合理调水规模和配置方案研究”“黄河流域及西北诸河水资源综合规划”等项目［19］，研究成果在黄河流域、西北内陆河地区广泛应用与推广，取得了显著的经济、社会和环境效益。

然而，变化环境下面向生态安全的西北内陆区水资源配置研究薄弱，对国家内陆区水安全保障决策的技术支撑不足；特别是西北内陆区水资源“开源”仍主要局限于传统的地表水与地下水水源，而针对空中水资源、苦咸水、矿井疏干水与再生水等非常规水源的开发与高效利用的技术研发没有得到足够重视与实践［20］；流域尺度的水资源调配等技术体系尚有争议。

因此，应从开源、节流两方面重点突破保水节水、空中与地表水资源联合利用、水资源-经济社会-生态环境多维协同优化等关键技术，进行水资源-经济社会-生态环境多维协同优化配置，构建水资源安全保障体系，缓解水资源短缺压力，为丝绸之路经济带水资源安全保障提供科技支撑。以变化环境下西北内陆区水资源安全保障为需求，构建适宜西北内陆区的水资源安全评价理论方法，定量评价西北内陆区水资源安全状况，阐明变化环境下水循环演化关键过程，集成保水节水、多水源开发利用、荒漠绿洲生态保护等技术体系，创建面向生态的荒漠绿洲水资源调配技术体系、水资源-经济社会-生态环境多维协同优化技术，提出西北内陆区水资源配置方案、保障体系与对策，为“一带一路”水资源安全提供支撑。分析变化环境下水循环演化过程、水资源高效利用及水调控机理和水资源安全评价理论方法；开展综合保水-节水技术、空中与地表水资源联合利用技术、水资源调配技术体系和水资源-经济社会-生态环境多维协同优化技术研究；提出西北内陆区水资源安全配置方案、西北内陆区水资源高效利用与安全保障对策；将新的理论方法、关键技术方案、软件平台、技术专利、政策建议等应用于西北内陆区水利、农业、生态建设、环保、水资源评价等，发挥作用，创造社会经济效益。

3 关键科学问题和研究方向

3.1 关键科学问题

探究变化环境下西北内陆区水循环关键过程，揭示水资源高效利用及绿洲生态保护水调控机理，提出水资源安全评价理论方法是关键科学问题。同时，研发西北内陆区综合保水-节水技术，突破空中与地表水资源联合利用关键技术，构建荒漠绿洲生态保护水调控技术，集成水资源-经济社会-生态环境多维协同优化技术是关键技术问题。

3.2 研究方向

（1）西北内陆区水资源安全状况与风险评估。重点围绕“一带一路”与生态文明建设这一重要因素，提出变化环境下适宜西北内陆区水资源安全及其风险评价、水资源承载潜力分析方法与模型技术，全面定量评价变化环境下西北内陆区水资源安全风险。

收集西北内陆区不同尺度的水资源、社会经济、生态环境资料信息，开展西北内陆区水资源评价，分析西北内陆区水资源特征及演变情势；开展研究区水资源开发利用现状调查评价，研发西北内陆区水资源安全评估模型，评估西北内陆区水资源安全状况；构建适宜于西北内陆区水资源承载潜力分析的理论方法和指标体系，在水资源高效利用、非常规水资源开发利用、跨流域调水等多水源开发利用现状条件下，评估西北内陆区水资源承载潜力；识别西北内陆区水资源供需影响因素，分析其相互作用机制，构建西北内陆区水资源供需分析模型，提出多种情景下水资源供需方案，综合分析西北内陆区未来水资源供需形势；建立面向变化环境的西北内陆区水资源安全风险评估理论方法和模型，定量评估西北内陆区水资源安全及其风险。

（2）变化环境下西北内陆区多尺度水循环过程与系统模拟。揭示气候变化对冰雪融水、森林径流、草地径流以及出山径流变化的影响机制，揭示变化环境下西北内陆区冰雪消融、降水径流、绿洲耗水的系统水循环过程及其调控机理，预测西北内陆区变化环境下水循环要素及水资源演化趋势。开展西北内陆区冰川消融、降水径流、绿洲耗水、地表水-地下水转化等关键水循环要素的时空变化特征研究。

构建高寒山区分布式水文模型、绿洲地表-地下水转化模型、荒漠绿洲生态耗水模型，分析冰雪消融的变化规律、降水对出山径流的影响、绿洲耗水规律，阐明变化环境下西北内陆区冰雪消融、降水径流、绿洲耗水的系统水循环过程。

耦合高寒山区分布式水文模型和绿洲区、荒漠区水循环模型，揭示变化环境下西北内陆区典型流域多尺度水循环机理。

以CMIP5中GCMs气候变化情景作为驱动，模拟分析未来气候变化对冰雪融水、降水径流、蒸散发等水循环要素的影响，分析土地利用变化对水资源的影响，预测西北内陆区变化环境下水循环要素及水资源演化趋势。

（3）多水源开发利用关键技术试验与示范。解决主要问题即评估西北内陆区空中水汽资源化潜力，提出空中与地表水资源联合利用技术，集成微咸水、矿井疏干水资源利用技术和面向生态的再生水资源利用技术。

分析空中水资源迁移、转化过程，揭示其落地后的迁移、转化及其在水资源系统中的演化特征和一般规律，评估西北内陆区空中水资源开发潜力，确定西北内陆区典型流域空中水资源开发与利用的承载与调控能力。

分析空中水资源化利用对流域水资源的影响，建立“空-地”水循环流域水资源演化模型，揭示“空-地”联合水资源系统一般动力学特征和变化规律，构建空中与地表水资源联合利用分析平台，优化空中与地表水资源联合高效利用模式，在巴音河—疏勒河开展试验验证和效果评估。

分析西北内陆区微咸水和矿井疏干水分布范围、数量质量，评估微咸水、矿井疏干水开发利用潜力和应用风险，研发西北内陆区微咸水和矿井疏干水的开发技术，形成微咸水和矿井疏干水资源合理利用模式。

分析西北内陆区再生水利用现状、存在的问题，评估再生水利用潜力和应用风险，集成再生水资源在城市绿化、防护林建设、河湖湿地等的利用技术，提出西北内陆区面向生态的再生水综合利用模式。

（4）西北内陆区保水节水技术集成与应用。集成水源涵养区水文调蓄功能提升技术、山前生态系统水土保持技术、库-渠水量高效输配技术，提出绿洲灌区农田和防护林高效节水技术。

分析山区水源涵养功能空间分异规律，量化不同生态系统水源涵养功能，研发水源涵养功能增储潜力优化技术、水源涵养林植被空间配置与结构优化技术，集成水源涵养区水文调蓄功能提升技术。

分析山前生态系统的水土流失特征，研发坡地集水、梯田蓄水、田间微集水等水土保持技术，集成集水补充灌溉、抗旱保墒、林灌草配置等技术，提出山前生态系统水土保持技术模式。

建立干旱寒冷地区输水渠道防渗-抗冻胀的耦合力学模型，提出衬砌材料、结构与冻土地基相适应的渠道防渗抗冻胀技术；建立山区水库与平原水库联合调度模型，集成山区-平原水库群协同运行模式，提出绿洲灌区水量输配方案，形成绿洲灌区库-渠水量高效输配技术。

分析不同灌溉类型区农田节水灌溉效率及效益，优化西北内陆区农业种植结构，研发滴灌系统信息化控制与管理技术，建立以水权制度为核心的水资源管理模式，集成工程、农艺、管理综合节水技术，提出西北内陆不同灌溉区适宜的节水灌溉模式。

分析西北内陆区节水模式下农田防护林体系格局演变特征，确定绿洲灌区农田防护林抗逆树种及配置模式；研发保水剂及非常规水灌溉等防护林建植技术，提出节水模式下农田防护林适宜的灌溉方式及灌溉制度，构建西北内陆区绿洲节水型防护林技术体系。

（5）荒漠绿洲生态保护的水资源调控关键技术集成示范。提出荒漠绿洲生态稳定的地下水位控制技术、过渡带结构优化水分稳定技术，集成荒漠绿洲生态稳定的地表水与地下水联合调控技术体系；建立面向生态的流域尺度水资源优化调度方案；建立面向生态的多目标水资源优化配置模型，提出流域中、下游生态水量实时调度方案；确定渠系水利用系数的最优化组合，研发绿洲区地表水优化配置技术、河-渠轮灌技术；集成绿洲过渡带低耗水林灌草优化配置技术、雨养植被恢复集流技术；提出荒漠绿洲生态稳定的地表水与地下水联合调控技术。

确定荒漠绿洲不同植被类型适宜的地下水位阈值；研发植被生长关键需水期适时地下水补水技术，集成绿洲植被群落结构优化的水分稳定技术，地下水采补平衡技术，河道渗灌、渠灌、井灌补水的地下水位控制技术；形成荒漠绿洲生态稳定的地下水位调控关键技术体系。

提出不同类型荒漠绿洲过渡带植被群落优化配置结构。研发荒漠绿洲过渡带植被群落结构优化的水分稳定技术；集成荒漠绿洲过渡带天然植被保护、雨养植被补植、低耗水植被引种技术，建立荒漠绿洲过渡带植被保护水调控技术模式；集成荒漠绿洲过渡带河岸林退化区更新技术，提出荒漠绿洲过渡带植被恢复与重建配套生态保护水调控技术模式。

分析西北内陆区社会经济用水与生态建设需水的双重需求，研制面向生态的内陆河流域水库群与引水工程联合调度新规则、不同流域生态水量调度技术，生态调度模型算法并以典型流域开展案例研究，提出基于生态用水安全的流域尺度水资源优化配置技术及调度方案。

（6）西北内陆区水资源多维协同配置与安全保障体系。集成保水节水、生态水调控、多水源利用等技术，建立西北内陆区水资源-经济社会-生态环境多维协同优化配置技术，提出水资源安全保障配置方案与保障体系。

集成西北内陆区水资源安全保障的保水节水、生态水调控、多水源利用等水资源调控技术，解析西北内陆区不同用户需水量、多种水源可供水量及其时空分布格局，提出西北内陆区水资源供需分析边界。

分析西北内陆区水资源的经济、社会、生态、环境等多维属性特征及关联性，构建具有时空分析、过程模拟功能的西北内陆区水资源-经济社会-生态环境多维协同优化配置模型，提出多维协同优化配置技术。

构建西北内陆区水资源系统网络关系，应用水资源-经济社会-生态环境多维协同优化配置模型，优化提出西北内陆区水资源安全保障综合配置方案，评估配置方案实施的经济、社会和生态环境效果。

从供给、需求、技术、政策、管理等方面构建西北内陆区水资源安全保障框架与体系；结合西北内陆区未来水资源安全状况、经济社会发展需要与生态文明建设，提出变化环境下西北内陆区水资源安全保障的对策建议，支撑丝绸之路经济带水资源安全。

4 基础和技术前沿问题

4.1 理论创新

揭示西北内陆区空中水汽资源化的转换规律，建立集冰雪消融、山区降水径流、荒漠绿洲耗水的系统水循环过程模型，构建适宜西北内陆区的水资源安全评价理论方法。

4.2 技术创新

综合集成水源涵养区的水文调蓄功能提升、山前生态系统水土保持、绿洲防护林节水、田间水量调控等技术，创新西北内陆区保水节水技术；研发空中与地表水资源联合利用技术，提出多水源多目标的非常规水资源利用技术，创新水资源开发利用新途径；从水资源配置、调控、利用等途径，集成荒漠绿洲生态稳定的地表与地下水联合调控技术，建立荒漠绿洲过渡带结构优化的水分利用模式，创建面向生态的荒漠绿洲水资源调配技术体系；构建水资源-经济社会-生态环境多维协同优化技术，提出西北内陆区水资源安全保障体系和配置方案，突破传统单一的水资源供需配置方法。

4.3 集成创新

在西北内陆区水资源安全评价和水循环演化过程研究的基础上，集成保水节水、空中与地表水资源联合利用、面向生态的荒漠绿洲水资源调配等技术，开展综合示范应用，提出西北内陆区水资源安全保障方案及其配套技术，支撑丝绸之路经济带水资源安全。

开展西北内陆区水资源安全风险评估，为国家内陆区水安全保障决策提供重要科学依据；研究变化环境下西北内陆区水循环关键过程，提高预测变化环境下水循环要素及水资源变化趋势的准确性和科学性；揭示水资源高效利用及绿洲生态保护水调控机理，为西北内陆区水资源开发利用、农业生产和生态建设的管理决策提供理论依据；构建适宜西北内陆区的水资源安全评价理论方法，完善水资源安全评价理论，可促进相关领域的学科发展，提升我国在水资源安全评价研究领域的国际影响力。

（1）空中与地表水资源联合利用技术开辟了水资源开发的新途径，保水-节水及微咸水、矿井疏干水、再生水高效利用和荒漠绿洲水资源调配等技术可有效提升西北内陆区水资源利用效率、缓解水资源短缺压力，改善研究区的生产和生活环境条件，促进西北内陆区的社会稳定和可持续发展，保障丝绸之路经济带建设中的水资源安全。另外，示范园区建设可带动相关行业的发展，增加群众收入，促进社会经济发展。

（2）微咸水、矿井疏干水、再生水高效利用技术可促进微咸水在沙产业培育，矿井疏干水在农田灌溉和再生水在城市绿化、防护林建设、河湖湿地等中的综合利用，减少产业培育及生态保护的经济投入。保水节水技术在农业生产中的应用，可提高农业用水产值，增加农民收入。项目研发的保水、节水和水资源高效利用技术将有效促进节水产业的发展，提高行业经济产值，形成水资源高效利用与经济效益提高的良性循环，促进经济繁荣。

（3）面向生态的再生水资源利用技术可提高水资源利用效率、降低河道水污染风险、改善居民生活环境质量；水源涵养区水文调蓄功能提升和山前生态系统水土保持技术可有效降低径流泥沙含量、改善流域水质、恢复森林和草地生态系统服务功能；绿洲灌区农田防护林节水技术、荒漠绿洲生态稳定的地表水与地下水联合调控技术、荒漠绿洲生态稳定的地下水位控制技术、荒漠绿洲过渡带结构优化的水分利用模式和流域尺度生态水量调度方案等可促进区域植被恢复、保护植物多样性、减小沙漠化危害和保护地下水，从而改善西北内陆区的生态环境。